低质量X射线双星演化与毫秒脉冲星的形成

发布时间：2018-10-29 21:40

【摘要】：作为上世纪60年代射电天文学四大发现之一,脉冲星的发现首次从观测上证实了Landau从理论上预言的,依靠中子简并压支撑起星体结构的致密天体,也就是中子星的存在。在目前已有的望远镜观测极限下,脉冲星也几乎是我们证认一颗中子星的唯一方式。从1967年底发现第一颗脉冲星迄今,已有超过两千颗脉冲星被探测到,探测波段从最初的射电脉冲星扩展到X射线、γ射线脉冲星,自转从最快1秒钟旋转超过700圈,到最慢接近12秒旋转一圈。从脉冲星自转周期的分布来看,存在两类主要的脉冲星,其中占绝大多数(超过80%)的一类叫做正常脉冲星,自转周期集中分布在0.5秒附近,另一类自转周期集中分布在3毫秒附近的叫做毫秒脉冲星。经典的再循环理论认为毫秒脉冲星是正常脉冲星通过在低质量X射线双星阶段吸积物质而被加速到毫秒量级。长期以来,这样一个毫秒脉冲星的再循环理论被许多观测所支持,也被广为接受。而在最近的两三年中,人们捕捉到了几个红背蜘蛛脉冲星在吸积的X射线脉冲星与转动能损供能的射电脉冲星之间往复切换的现象,更是为再循环理论提供了一个最直接的观测证据。尽管如此,低质量X射线双星的演化以及毫秒脉冲星的形成理论中,仍然存在诸多问题,包括毫秒脉冲星的诞生率高于其前身星低质量X射线双星的诞生率的困难。事实上,观测到的毫秒脉冲星的伴星可以是主序星、He白矮星、CO白矮星、中子星、行星等等,几乎囊括了主要的几类天体,而理论上低质量X射线双星的演化产物能否复现观测到的双星毫秒脉冲星在轨道周期、伴星质量等参数空间的分布还不很清楚。此外,毫秒脉冲星中还有相当一分,约1/3,并不在双星系统之中,它们是再循环起源,还是有新的起源,也都还不清楚。基于对这些问题的探索,本文通过低质量X射线双星演化的模型计算,其中考虑了不同的初始参数和物理过程,特别关注不同物理参量对演化过程的影响以及最终的演化产物,并将计算结果与最新的观测现象和数据比较,试图解决以上某些问题,或对标准的演化过程做出某些补充或修正。第一章,我们首先从观测的角度,对X射线双星和脉冲星做一点概述。包括这两类系统的发现、观测特征、分类、分布等方面。第二章,我们转到理论角度,介绍低质量X射线双星的演化的基本框架。包括低质量X射线双星的形成,小质量恒星的单星演化、双星演化模型的建立及主要的物理考虑、中子星的吸积与自转演化等方面。第三章中,我们将结合具体工作讨论低质量X射线双星的演化与密近的毫秒脉冲星-氦白矮星双星的形成。并重点关注轨道周期小于1天的密近系统,计算得到不同金属丰度下所能形成的氦白矮星质量的下限,以及不同输入参数下的白矮星质量-双星轨道周期之间的理论关系,并尝试解释PSRs J0348+0432和J1738+0333这两个特殊源的形成过程。第四章中,我们将重点讨论一类特殊的具有射电交食现象的红背蜘蛛脉冲星的形成,正是这类脉冲星中观测到的吸积态与射电脉冲态之间的切换直接从观测上见证了脉冲星的再循环理论。其中,我们将首先回顾已有的几种模型解释及其可能存在的问题,由此提出我们考虑的吸积盘粘滞不稳定的模型。通过计算低质量X射线双星演化中发生吸积盘不稳定区域的参数空间,并与观测到的红背蜘蛛系统的分布比较,认为这是一种可能的形成途径。第五章中,我们将延续第三章的工作,在计算中引入伴星蒸发星风的因素,考察其对低质量X射线双星长期演化的影响,并重点关注蒸发条件下的双星演化产物。我们的计算表明,低质量X射线双星演化过程中,毫秒脉冲星再辐射对伴星的蒸发可以显著改变和加快其演化进程,并形成某些标准演化模型下难以解释的产物,并试图从观测数据中寻找线索。而我们的计算还表明,蒸发条件下,伴星可能在演化的末期发生不稳定的洛希瓣渗溢,并因此而被完全瓦解,这为孤立的毫秒脉冲星形成提供了一条有效的途径。而以上结果同时依赖于毫秒脉冲星对伴星蒸发的效率以及星风带走角动量的形式。第六章是总结与展望。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P145.6;P153

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